Il dottorando in ingegneria e meccanica Fedor Sharov regola le impostazioni in uno spettrometro EDMR a bassissima frequenza. Credito:Kelby Hochreither/Penn State
Una nuova tecnica per lo studio dei difetti nei materiali semiconduttori potrebbe portare a un miglioramento della velocità, della potenza e delle prestazioni dei dispositivi elettronici, rivelando i limiti a livello atomico dei materiali avanzati.
Sviluppato da un team di ricercatori guidato dalla Penn State e guidato dall'ex studente laureato della Penn State James Ashton, lo strumento analitico utilizza campi magnetici estremamente piccoli e frequenze molto più piccole di quelle tipicamente utilizzate in tali misurazioni per rilevare e misurare le imperfezioni nei nuovi materiali , fornendo informazioni strutturali sulle interazioni magnetiche tra elettroni e nuclei magnetici vicini in un modo più semplice di quanto fosse possibile in precedenza.
L'approccio è stato pubblicato come articolo di copertina in Lettere di fisica applicata . Secondo Patrick Lenahan, illustre professore di ingegneria e meccanica alla Penn State e consulente per la tesi di dottorato di Ashton, lo strumento consente ai ricercatori di fare un grande passo avanti verso la risoluzione di una serie di guasti nei dispositivi di prossima generazione.
I ricercatori si sono concentrati sui transistor a effetto di campo (MOSFET) a semiconduttore di ossido di metallo, che si trovano in quasi tutti i dispositivi con circuiti integrati, dai telefoni cellulari ai computer. Precedentemente progettati con silicio e biossido di silicio, i MOSFET ora possono essere fabbricati con altri materiali, incluso il carburo di silicio come materiale semiconduttore. Lenahan ha sottolineato che il materiale relativamente nuovo presenta vantaggi sostanziali per le alte temperature e le applicazioni ad alta potenza. Tuttavia, ha spiegato, i MOSFET al carburo di silicio sono limitati da difetti su scala atomica che i ricercatori non sono stati in grado di comprendere appieno.
"La presenza di un sottile difetto, come un sito atomico mancante per ogni, diciamo, 5.000 atomi al confine tra il carburo di silicio e l'ossido di gate del MOSFET, sarà sufficiente a rovinare qualsiasi dispositivo", ha detto Lenahan. "Quindi, avevamo bisogno di un modo per guardare alla sottile deviazione dalla perfezione, per capire cosa sta limitando le prestazioni di questi dispositivi".
Per rilevare tali deviazioni, i ricercatori utilizzano la risonanza magnetica, simile alla tecnologia utilizzata dai medici per visualizzare le anomalie dei tessuti molli nel corpo umano, per eccitare gli elettroni nei MOSFET SiC. Queste misurazioni possono fornire informazioni dettagliate sulle imperfezioni del materiale, in particolare quando gli elettroni interagiscono con imperfezioni su scala atomica come siti di atomi mancanti. Tradizionalmente, questa tecnica richiedeva un campo magnetico elevato e aveva una sensibilità di circa 10 miliardi di difetti, molti più difetti di quelli presenti nei piccoli dispositivi SiC. Recentemente, tuttavia, è emersa una nuova iterazione della tecnica, chiamata risonanza magnetica rilevata elettricamente, per la quale la dimensione del campo è irrilevante per la sensibilità e un difetto di limitazione del dispositivo molto più piccolo potrebbe essere rilevato direttamente durante il funzionamento elettrico, secondo Lenahan.
"Il fatto che tu possa far funzionare la risonanza magnetica estremamente sensibile con campi magnetici estremamente piccoli è un'area che fondamentalmente non è affatto studiata", ha detto Lenahan. "I teorici hanno scritto articoli chiedendo:'Supponiamo che tu possa fare una tale misurazione, cosa potresti scoprire?' E si scopre che c'è un modo, che è quello che abbiamo dimostrato qui con il nostro nuovo strumento analitico".
Il lavoro è stato presentato come copertina delle Lettere di Fisica Applicata del problema in cui è apparso. Credito:Kelby Hochreither/Penn State
Lenahan, Ashton e il loro team hanno applicato la risonanza magnetica rilevata elettricamente per misurare gli effetti dello spin sulle interazioni su scala atomica catturate in corrispondenza di un'imperfezione in un dispositivo che utilizza campi magnetici straordinariamente piccoli.
Lo spin descrive una caratteristica fondamentale di particelle come elettroni, protoni e neutroni. Tutti gli elettroni, compresi quelli catturati dalle imperfezioni nei MOSFET, hanno uno spin e anche i nuclei degli atomi che li circondano possono avere il proprio spin. La risonanza magnetica rilevata elettricamente può misurare le "interazioni iperfini", che sono le interazioni magnetiche tra l'elettrone e gli spin nucleari. L'osservazione di queste interazioni può rivelare dettagli strutturali e chimici su questi difetti.
"Le persone sono interessate alle interazioni iperfine elettrone-nucleare da oltre 60 anni e questo strumento fornisce un nuovo modo di guardare queste interazioni in campioni molto piccoli con una misurazione elettrica", ha detto Lenahan. "Stiamo esaminando campioni nanometro per micron per micron, campioni miliardi di volte più piccoli di quelli che potresti studiare con tecniche di risonanza più convenzionali, quindi possiamo davvero capire a livello atomico cosa limita le prestazioni di questo particolare dispositivo. Da questa comprensione, possiamo suggerire come le persone nei laboratori di ricerca e sviluppo industriale potrebbero cercare di far funzionare meglio i dispositivi".
Secondo Stephen Moxim, coautore della pubblicazione e studente di dottorato in ingegneria e meccanica della Penn State, i risultati si riferiscono anche a una fisica dello spin più fondamentale.
"Quando l'elettrone gira all'interno dei centri di difetto 'inverte' o cambia il loro stato di spin, in un esperimento di risonanza magnetica, alla fine si rilassano tornando al loro stato di spin originale", ha detto. "Tra le altre cose, i risultati qui mostrano come questo processo di rilassamento sia correlato all'ambiente in cui esistono i difetti. Nello specifico, ci danno un'idea di come i nuclei magnetici che si trovano vicino agli elettroni del difetto influenzino il processo di rilassamento".
Secondo Moxim, questo approccio, basato su uno strumento di misurazione della corrente elettrica continua relativamente semplice, potrebbe potenzialmente tradursi nel campo dell'informatica quantistica.
"È sempre incredibile vedere l'intersezione tra fisica teorica e ingegneria pratica", ha affermato Fedor Sharov, coautore e studente di dottorato in ingegneria e meccanica della Penn State. "Idee e teorie di decenni fa stanno trovando una perfetta collocazione in una nuova tecnica che, nel recente passato, i teorici potrebbero non aver nemmeno preso in considerazione". + Esplora ulteriormente
